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矿用乙丙橡胶电缆绝缘多因子老化及寿命评估方法

林晨  
【摘要】:本论文是国家自然科学基金面上项目“矿用高压电缆绝缘故障机理及其寿命评估方法研究”(项目编号:51377113)的主要研究内容之一,即研究矿用10kV乙丙橡胶绝缘电缆多因子老化及其寿命评估方法。乙丙橡胶(EPR)由乙烯,丙烯和非共轭二烯烃组成,具有优异的防潮性,耐腐蚀性和柔韧性,因此乙丙橡胶已成为某些特殊领域,特别是煤矿中移动电缆绝缘的主要选择。众所周知,煤矿环境恶劣,用于煤矿采煤机的电缆通会同时承受电,热和机械应力,影响电缆的使用寿命。对于采煤机电缆,电应力通常小于约1.1kV/mm,因此单独电应力几乎不影响电缆的寿命。热应力来源于采煤机频繁启动和在不同负载下启动时的大电流。虽然绝大多数矿用电缆设计有适当的铠装或支撑线以避免机械应力所带来的问题,但是由采煤机沿着采煤工作面不停地拖动,电缆会受到压力,拉力和频繁弯曲,这将导致乙丙橡胶电缆的机械损坏。因此,乙丙橡胶电缆的寿命很大程度上取决于电应力、热应力和机械应力。电缆同时遭受电应力、热应力与机械应力等应力的长时间作用,促使其绝缘加速达到使用寿命终点,最终形成绝缘层破坏,引发电缆故障。严重的故障将不仅引起停产,更有可能引发瓦斯爆炸,造成更重大的安全事故发生。因此,根据电缆在煤矿实际运行经验,并考虑使用年限增长带来的问题,矿用乙丙橡胶电缆的老化状态监测及评估问题急需进一步研究。针对矿用10kV乙丙橡胶电缆绝缘存在的以上问题,本文以乙丙橡胶电缆研究对象,在实验室进行了恒温和变温的电、热、机械联合老化试验研究,对老化试验后的电缆绝缘的相关参量就行了测量,在进行老化机理分析的同时提取了能够表征绝缘老化的特征量,具体的研究内容如下:从矿用长电缆上截取的短电缆试样作为研究对象。使用均压环与硅橡胶灌注的方法来处理电缆端部施加高电压所发生的局部放电问题。确定了老化试验方案,在高压实验室搭建电、热、机械联合老化试验平台进行了老化试验。通过对恒温下不同老化周期的电缆试样绝缘的物理、化学和机械性能相关参数的分析,并结合对电应力、热应力和机械应力单独的老化机理,获取了电、热、机械联合老化机理;通过拉伸试验、红外光谱、介电谱和PDC测试提取了表征老化特征量,确定了与老化时间存在明确函数关系的特征量。通过对变温下相同老化周期下电缆试样绝缘的物理、化学和机械性能相关参数的分析,结合恒温下的电、热、机械联合老化机理和空间电荷理论,分析了温度对于电热机械老化进程的作用;通过拉伸试验、红外光谱、极化去极化电流提取了与温度相关的老化特征量,确定了与老化温度存在明确函数关系的特征量。基于超低频tanδ(0.1Hz)法和等温松弛电流法对矿用乙丙橡胶电缆绝缘的老化状态进行评估;明确了恒温下断裂身伸长率随老化时间变化的函数关系和由变温试验推算出温度对断裂伸长率的影响函数的基础上,基于Arrhenius方程得到了矿用乙丙橡胶电缆绝缘在设定应力下的寿命评估方程。


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